Aby jak najskuteczniej przekształcić światło słoneczne w energię elektryczną lub inne formy energii, pierwszym krokiem jest wydajny system pozyskiwania światła. Idealnie byłoby, gdyby był on panchromatyczny, tj. pochłaniał całe spektrum światła widzialnego.
Wzorem tego są anteny zbierające światło roślin i bakterii. Wychwytują szerokie spektrum światła do fotosyntezy, ale mają bardzo złożoną strukturę i wymagają wielu różnych barwników, aby przekazać energię pochłoniętego światła i skupić ją w centralnym punkcie.
Opracowane dotychczas przez człowieka systemy zbierania światła mają również wady:
Chociaż półprzewodniki nieorganiczne, takie jak krzem, są panchromatyczne, tylko słabo absorbują światło. Aby pochłonąć wystarczającą ilość energii świetlnej, wymagane są bardzo grube warstwy krzemu w zakresie mikrometrów, co sprawia, że ogniwa słoneczne są stosunkowo nieporęczne i ciężkie.
Barwniki organiczne odpowiednie do ogniw słonecznych są znacznie cieńsze: grubość ich warstwy wynosi tylko około 100 nanometrów. Jednakże ledwo są w stanie absorbować szeroki zakres widma i dlatego nie są szczególnie wydajne.
Cienka warstwa pochłania dużo energii świetlnej
Naukowcy z Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg w Bawarii w Niemczech zaprezentowali na łamach czasopisma Chem innowacyjny system zbierania światła, który znacznie różni się od poprzednich systemów.
„Nasz system ma strukturę pasmową zbliżoną do półprzewodników nieorganicznych. Oznacza to, że pochłania światło panchromatycznie w całym zakresie widzialnym. Wykorzystuje także wysokie współczynniki absorpcji barwników organicznych. Dzięki temu może pochłaniać bardzo dużo światła energię w stosunkowo cienkiej warstwie, podobnie jak w przypadku naturalnych systemów zbierania światła” – mówi profesor chemii JMU Frank Würthner. Jego zespół z Instytutu Chemii Organicznej / Centrum Chemii Nanosystemów zaprojektował system zbierania światła na JMU i badał go wspólnie z grupą profesora Tobiasa Brixnera z Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej.
Cztery barwniki w genialnym układzie
Mówiąc prościej, innowacyjna antena wychwytująca światło z Würzburga składa się z czterech różnych barwników merocyjaninowych, które są złożone i w ten sposób ułożone blisko siebie. Wyrafinowany układ cząsteczek umożliwia ultraszybki i wydajny transport energii w antenie.
Naukowcy nadali prototypowi nowego systemu zbierania światła nazwę URPB. Litery oznaczają długości fal światła pochłaniane przez cztery składniki barwnika anteny: U oznacza ultrafiolet, R oznacza czerwień, P oznacza fiolet i B oznacza kolor niebieski.
Sprawdzona wydajność dzięki fluorescencji
Naukowcy wykazali, że ich nowatorski system zbierania światła działa tak dobrze, mierząc tak zwaną wydajność kwantową fluorescencji. Obejmuje to pomiar ilości energii emitowanej przez system w postaci fluorescencji. Pozwala to na wyciągnięcie wniosków na temat ilości energii świetlnej, jaką wcześniej zgromadził.
Wynik: system przekształca 38 procent napromieniowanej energii świetlnej w szerokim zakresie widma na fluorescencję — z drugiej strony cztery barwniki same w sobie radzą sobie z od mniej niż jednego procenta do maksymalnie trzech procent. Odpowiednie połączenie i umiejętne przestrzenne rozmieszczenie cząsteczek barwnika w stosie robi zatem dużą różnicę.